نانومواد کاربید سیلیکون

نانومواد کاربید سیلیکون

نانومواد کاربید سیلیکون (نانومواد SIC) به مواد تشکیل شده ازکاربید سیلیکون (SIC)با حداقل یک بعد در مقیاس نانومتر (که معمولاً به عنوان 1-100 نیوتن متر تعریف می شود) در فضای سه بعدی. نانومواد کاربید سیلیکون را می توان با توجه به ساختار آنها به ساختارهای صفر بعدی ، یک بعدی ، دو بعدی و سه بعدی طبقه بندی کرد.

نانوساختارهای بعدی صفرساختارهایی هستند که تمام ابعاد آنها در مقیاس نانومتر قرار دارد ، عمدتاً شامل نانوکریستال های جامد ، نانوسفرهای توخالی ، نانوذرات توخالی و نانوسفرهای پوسته هسته است.

نانوساختارهای یک بعدیبه ساختارهایی مراجعه کنید که در آن دو بعد در فضای سه بعدی به مقیاس نانومتر محدود می شوند. این ساختار اشکال مختلفی دارد ، از جمله نانوسیم ها (مرکز جامد) ، نانولوله ها (مرکز توخالی) ، نانوبلت ها یا نانوبلت ها (مقطع مستطیل باریک) و نانوذرات (مقطع منشور شکل). این ساختار به دلیل کاربردهای منحصر به فرد در فیزیک مزوسکوپی و تولید دستگاه های نانو ، به محور تحقیقات فشرده تبدیل شده است. به عنوان مثال ، حامل ها در نانوساختارهای یک بعدی فقط می توانند در یک جهت از ساختار (به عنوان مثال ، جهت طولی نانوسیم یا نانولوله) پخش شوند و می توانند به عنوان اتصال دهنده و دستگاه های کلیدی در نانوالکترونیک استفاده شوند.

نانوساختارهای دو بعدی، که فقط یک بعد در نانو دارای یک بعد ، معمولاً عمود بر هواپیمای لایه ای آنها ، مانند نانوذرات ، نانو برگه ها ، نانو برگه ها و نانوسفرها ، اخیراً توجه ویژه ای را به خود اختصاص داده اند ، نه تنها برای درک اساسی از مکانیسم رشد آنها ، بلکه همچنین برای کاوش در برنامه های کاربردی بالقوه آنها در امیت های نوری ، سنسورها ، سلولهای خورشیدی و غیره.

نانوساختارهای سه بعدیمعمولاً نانوساختارهای پیچیده ای نامیده می شوند ، که توسط مجموعه ای از یک یا چند واحد ساختاری اساسی در یک بعدی ، یک بعدی و دو بعدی (مانند نانوسیم ها یا نانورودهای متصل به اتصالات کریستالی تک) تشکیل می شوند و ابعاد هندسی کلی آنها بر روی نانومتر یا مقیاس میکرومتر است. چنین نانوساختارهای پیچیده ای با مساحت زیاد در هر واحد حجم مزایای بسیاری را فراهم می کند ، مانند مسیرهای نوری طولانی برای جذب کارآمد نور ، انتقال سریع بار بین سطحی و قابلیت حمل بار قابل تنظیم. این مزایا نانوساختارهای سه بعدی را قادر می سازد تا طراحی در برنامه های تبدیل انرژی و ذخیره سازی آینده را پیش ببرد. از ساختارهای 0D تا سه بعدی ، طیف گسترده ای از نانومواد مورد مطالعه قرار گرفته و به تدریج در صنعت و زندگی روزمره معرفی شده است.

روشهای سنتز نانومواد SIC

برای به دست آوردن مواد ذوب شده با روش ذوب داغ ، روش اچینگ الکتروشیمیایی ، روش پیرولیز لیزر و غیره را می توان سنتز کردجامدنانوکریستال ها از چند نانومتر تا ده ها نانومتر ، اما معمولاً شبه کشتار هستند ، همانطور که در شکل 1 نشان داده شده است.

شکل 1 تصاویر TEM از نانوکریستال های β-sic تهیه شده توسط روش های مختلف

(الف) سنتز حل گرمایی [34] ؛ (ب) روش اچینگ الکتروشیمیایی [35] ؛ (ج) پردازش حرارتی [48] ؛ (د) پیرولیز لیزر [49]

Dasog و همکاران. نانوکریستال های کروی β-sic با اندازه قابل کنترل و ساختار واضح توسط واکنش تجزیه مضاعف حالت جامد بین پودرهای SiO2 ، Mg و C [55] ، همانطور که در شکل 2 نشان داده شده است.

شکل 2 تصاویر FESEM از نانوکریستال های SIC کروی با قطرهای مختلف [55]

(الف) 51.3 55 نانومتر ؛ (ب) 6.6 نانومتر 92.8 ؛ (ج) 8.2 ± 278.3 نانومتر

روش فاز بخار برای رشد نانوسیم های SIC. سنتز فاز گاز بالغ ترین روش برای تشکیل نانوسیم های SIC است. در یک فرآیند معمولی ، مواد بخار مورد استفاده به عنوان واکنش دهنده برای تشکیل محصول نهایی با تبخیر ، کاهش شیمیایی و واکنش گازی (نیاز به دمای بالا) تولید می شود. اگرچه درجه حرارت بالا باعث افزایش مصرف انرژی اضافی می شود ، نانوسیمهای SIC که توسط این روش رشد می کنند معمولاً دارای یکپارچگی کریستالی بالایی هستند ، نانوسیم ها/نانورودهای شفاف ، نانوذرات ، نانوذرات ، نانولوله ها ، نانوبلت ها ، نانوذرات و غیره ، همانطور که در شکل 3 نشان داده شده است.

شکل 3 مورفولوژی معمولی نانوساختارهای SIC یک بعدی 

(الف) آرایه های نانوسیم روی الیاف کربن. (ب) نانوسیمهای اولترالونگ روی توپهای Ni-Si. (ج) نانوسیم ها ؛ (د) نانوذرات ؛ (ه) نانوبامبو ؛ (ج) نانودلها ؛ (ز) نانوبون ها ؛ (ح) نانوخانان ؛ (من) نانولوله ها

روش راه حل برای تهیه نانوسیمهای SIC. از روش راه حل برای تهیه نانوسیم های SIC استفاده می شود که باعث کاهش دمای واکنش می شود. این روش ممکن است شامل تبلور پیشرو فاز محلول از طریق کاهش شیمیایی خود به خود یا سایر واکنشها در دمای نسبتاً خفیف باشد. به عنوان نمایندگان روش راه حل ، سنتز حل گرمایی و سنتز هیدروترمال معمولاً برای به دست آوردن نانوسیمهای SIC در دماهای پایین استفاده می شود.

نانومواد دو بعدی را می توان با روشهای حل گرمایی ، لیزرهای پالس ، کاهش حرارتی کربن ، لایه برداری مکانیکی و پلاسما مایکروویو تقویت کردCVDبشر هو و همکاران. یک نانوساختار سه بعدی SIC را به شکل یک گل نانوسیم تحقق بخشید ، همانطور که در شکل 4 نشان داده شده است. تصویر SEM نشان می دهد که ساختار گل مانند دارای قطر 1-2 میکرومتر و طول 3-5 میکرومتر است.

شکل 4 تصویر SEM از یک گل نانوسیم سه بعدی SIC

عملکرد نانومواد SIC

نانومواد SIC یک ماده سرامیکی پیشرفته با عملکرد عالی است که دارای خواص فیزیکی ، شیمیایی ، الکتریکی و سایر موارد خوبی است.

✔ خصوصیات فیزیکی

سختی زیاد: ریزگردها کاربید نانو سیلیکون بین Corundum و Diamond است و استحکام مکانیکی آن از Corundum بالاتر است. از مقاومت در برابر سایش بالا و خودآزمایی خوب برخوردار است.

هدایت حرارتی بالا: کاربید نانو سیلیکون دارای هدایت حرارتی عالی است و یک ماده رسانا حرارتی عالی است.

ضریب انبساط حرارتی کم: این به کاربید نانو سیلیکون اجازه می دهد تا در شرایط دمای بالا اندازه و شکل پایدار را حفظ کند.

مساحت سطح خاص بالا: یکی از ویژگی های نانومواد ، برای بهبود فعالیت سطح و عملکرد واکنش آن مساعد است.

✔ خواص شیمیایی

ثبات شیمیایی: کاربید نانو سیلیکون دارای خواص شیمیایی پایدار است و می تواند عملکرد خود را بدون تغییر در محیط های مختلف حفظ کند.

آنتی اکسیداسیون: می تواند در دمای بالا در برابر اکسیداسیون مقاومت کند و مقاومت در برابر دمای بالا عالی را نشان می دهد.

✔خاصیت الکتریکی

باند بلند: باند بلند ، آن را به عنوان یک ماده ایده آل برای ساخت دستگاه های الکترونیکی با فرکانس بالا ، با قدرت بالا و کم انرژی تبدیل می کند.

تحرک اشباع الکترونیکی بالا: این امر به انتقال سریع الکترون ها منجر می شود.

✔خصوصیات دیگر

مقاومت شدید تابش: این می تواند عملکرد پایدار را در یک محیط تابش حفظ کند.

خصوصیات مکانیکی خوب: دارای خواص مکانیکی عالی مانند مدول الاستیک بالا است.

استفاده از نانومواد SIC

وسایل الکترونیکی و نیمه هادی: با توجه به خواص الکترونیکی عالی و پایداری درجه حرارت بالا ، کاربید نانو سیلیکون به طور گسترده ای در اجزای الکترونیکی با قدرت بالا ، دستگاه های فرکانس بالا ، اجزای نوری و سایر زمینه ها مورد استفاده قرار می گیرد. در عین حال ، همچنین یکی از مواد ایده آل برای تولید دستگاه های نیمه هادی است.

کاربردهای نوری: کاربید نانو سیلیکون دارای باند گسترده ای و خاصیت نوری عالی است و می تواند برای تولید لیزرهای با کارایی بالا ، LED ها ، دستگاه های فتوولتائیک و غیره مورد استفاده قرار گیرد.

قطعات مکانیکی: با بهره گیری از سختی و مقاومت در برابر سایش ، کاربید نانو سیلیکون دارای طیف گسترده ای از برنامه های کاربردی در ساخت قطعات مکانیکی مانند ابزارهای برش با سرعت بالا ، یاتاقان ها ، مهر و موم های مکانیکی و غیره است که می تواند مقاومت در برابر سایش و عمر خدمات قطعات را به شدت بهبود بخشد.

مواد نانوکامپوزیت: کاربید نانو سیلیکون را می توان با سایر مواد ترکیب کرد تا نانوکامپوزیت ها را برای بهبود خواص مکانیکی ، هدایت حرارتی و مقاومت در برابر خوردگی مواد تشکیل دهد. این ماده نانوکامپوزیت به طور گسترده در هوافضا ، صنعت خودرو ، میدان انرژی و غیره مورد استفاده قرار می گیرد.

مواد ساختاری درجه حرارت بالا: نانوکاربید سیلیکوناز ثبات درجه حرارت بالا و مقاومت در برابر خوردگی بسیار عالی برخوردار است و می تواند در محیط های با دمای شدید بالا مورد استفاده قرار گیرد. بنابراین ، از آن به عنوان یک ماده ساختاری با درجه حرارت بالا در هوافضا ، پتروشیمی ، متالورژی و سایر زمینه ها مانند تولید استفاده می شودکوره های درجه حرارت بالا, لوله های، پوشش های کوره و غیره

برنامه های دیگر: کاربید سیلیکون نانو نیز در ذخیره سازی هیدروژن ، فتوکاتالیز و سنجش استفاده می شود و چشم انداز کاربرد گسترده ای را نشان می دهد.